没有腿，仍能跳跃？日前，34 岁的中国青年科学家陈锐，研发出一款无腿软体机器人，可实现快速可控的持续跳跃。

动图1 | 无腿软体机器人（来源：Nature Communications）

机器人重量为 1.1 克、长度是 6.5 厘米，借助灵活的电动液体，即可给它提供动力。它跳出的最远距离，是自身身高的 7.68 倍，每秒连续前跳速度则是自身身长的 6.01 倍。据该团队表示，这是现有软跳跃机器人中速度最快的。

动图 2 | 无腿软体机器人（来源：Nature Communications）

它还能绕过电线、砾石堆、斜坡、异形立方体等障碍物。在连续向前跳跃运动中，每次跳跃的角度偏差可控制在 8° 以内，当集成两个无腿软跳机器人时，还可以每秒 138.4° 的速度转向跳跃。

这些能力主要依赖于该团队提出的新型电液驱动技术和结构驱动一体化设计方法，借此可让软体机器人做出敏捷的多模态运动。

图 | 陈锐（来源：陈锐）

12 月 8 日，相关论文以《能够实现快速、连续、转向跳跃的无腿软体机器人》（Legless soft robots capable of rapid, continuous, and steered jumping）为题，发表在 Nature Communications 上，来自重庆大学机械与运载工程学院的陈锐担任论文通讯作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

近年来，陈锐团队一直围绕软体机器人的驱动机理与驱动方法展开研究，特别是功率密度高、响应速度快的新型驱动方式，并期望通过结构驱动一体化设计的方法，将其应用在软体机器人上。

跳跃，是移动机器人运动的基本形式之一。它能扩大陆地移动机器人的探索空间，并能解决传统移动机器人需要通过绕行来规避障碍的问题。

（来源：Nature Communications）

不过，为了提高跳跃性能，这一运动形式往往会给驱动器的功率密度、以及响应速度提出较高要求。因此，陈锐希望通过研究新型驱动器，并在跳跃机器人进行应用验证。

研究分为前中后三阶段

陈锐介绍称，研究主要分为前、中、后三个阶段，前期是对现存跳跃机器人进行调研，中期是思考、并创新实现跳跃的新型驱动方式，后期则是对机器人进行性能优化测试。

在前期调研中，从驱动类型、跳跃性能等各方面，他对各类机器人的优缺点做了综合分析，并凝练出一些关键技术指标。

（来源：Nature Communications）

中期他主要围绕以上关键技术指标，对驱动器展开创新设计。期间，他和团队做了多次迭代尝试，包括优化驱动器结构参数、以及驱动电压等。

后期则主要是针对机器人的跳跃和越障性能进行测试和更新，并探索了潜在应用场景。

（来源：Nature Communications）

为了利用各向异性液体流动来实现能量不平衡引起的向前跳跃，陈锐把电介质液体密封到一个半圆形执行器中，借此让机器人表现出更好的跳跃性能。

然后，将致动器另外一个半圆袋子中充入等体积空气。这时，相对于整个致动器来说，电介质液体即可呈现出各向异性流动。

正如预期的那样，特殊的液体-空气布局，可让执行器向前跳跃，就算空气袋被拖动在地上也能照常运动。这是因为电极会挤压液体电介质，进而使其快速向前流动，从而提供初始动能。

动图3 | 无腿软体机器人（来源：Nature Communications）

通过观察上述三种类型的致动器，陈锐发现它们的跳跃都是由液体袋的部分膨胀引起的。

其中，特殊的液空布局、以及半圆形压缩结构，可让内部液体产生各向异性的快速流动，进而产生大量的正向动能。

同时，固定在软致静电弯曲执行器边缘的预弯曲框架，可以指导变形方向，以便实现快速弯曲运动，借此可产生垂直动能和水平动能。概括来说，特殊的液空布局和预弯框架结构，大大提高了电液执行器的跳跃性能。

这种无腿软跳机器人，可通过快速液体流动和身体弯曲来跳跃，从而可大大缩短跳跃间隔时间。由于具备弹性，因此可帮助机器人快速恢复形状，以避免影响下一次跳跃。

无腿软跳机器人由两个带有柔性电极印刷的塑料半圆形袋组成，它们与两个导电带连接，用于潜在的电线连接。这两个袋由双轴向聚丙烯薄膜制成。前袋充满了电介质液体，后面充满了相同体积的空气。

研究中，需要将柔性塑料聚氯乙烯环框固定在其边缘并进行预应变。

值得注意的是，机器人的后气囊与动物尾部相似，这可用于保持跳跃和着陆姿态的平衡，在无腿软跳机器人的整个结构中起着重要的作用。

为进一步提高无腿软跳机器人的跳跃性能，陈锐把袋中空气用非爆炸性气体氦气所取代。

动图 4 | 无腿软体机器人（来源：Nature Communications）

这时，机器人即可通过能量变化，来产生向前跳跃的能量。在对电极施加高电压后，介质电液体会从流出区、挤压到没有电极覆盖的流入区。这种快速和各向异性的流动，可产生一个初始动能。其中，前袋电极之间静电力的增加，可引起液体的快速流动。

另外，当框架产生瞬间弯曲时，即可推动机器人身体进入空气中。在快速起飞后，机器人的初始水平速度，会由框架末端的水平地面反作用力决定。

在跳跃状态下，环框会迅速释放弹性能量，这时介电液体回流，机器人即可恢复到原始状态，并为着陆后的下一次跳跃做准备。

此外，施加相同极性的电压，可让电荷处于保留状态，并在致动器内部积累，从而防止致动器完全回到其初始位置，以避免影响下一次实验结果。每次实验后，极性都会被逆转，并等待一分钟来缓解电荷保留。

动图 5 | 无腿软体机器人（来源：Nature Communications）

单个驱动器总价不到5毛钱

软致静电弯曲执行器的设计灵感，来自液压放大的自修复静电致动器的静电跳跃，以及由介电弹性体执行器的预变形框架引起的周期性马鞍形弯曲。

在设计过程中，陈锐专门建立了力学分析模型、以及介质液体重心运动等效模型，借此可对驱动器尺寸参数进行优化。

由于机器人使用特殊的液体空气布局、以及边缘固定预弯曲框架，借此可实现快速连续前进和转向跳跃运动，还可实现各向异性液体流动周期性的弯曲，因此可弥补液压放大的自修复静电执行器的限制。

动图 6 | 无腿软体机器人（来源：Nature Communications）

此次单体机器人的头部液体腔和尾部空气腔并不对称，这是该团队专门设计的，只有这样才能实现单向运动。从当前的结构来说，尾部空气腔主要用于减重和平衡，如果简单将结构进行对称，会造成跳跃性能的下降。

相比三聚氰胺板材料或人工肌肉，此次使用的材料主要有两方面优势：一是驱动效率比较高、响应速度很快，特别适合开展结构驱动的一体化设计；二是成本比较低，单个驱动器的总价不到5毛钱。

目前，在小于 8HZ 的低频状态下，陈锐主要利用最优运动频率，来实现最具效率的前进跳跃方式。而在 8HZ 以上的高频状态下，机器人可呈现出慢速爬行的姿态，这一运动模式能让它做出比较紧密和精细的位置移动。

陈锐坦言：“其实我们并不需要追求两种模式运动的一致性，反而能很好地综合利用这两种不同的运动形式。”

而在制备机器人时，有时会遇到驱动特性不一致的问题，毕竟是手工制作，很难保证所有参数和环境条件绝对一致。因此，陈锐主要通过量化制作参数，来尽可能地保证机器人的一致性。此外在实际测试中，可通过调整控制策略，去消除掉轻微的运动差异。

（来源：Nature Communications）

可用于检测紫外线变化

通过安装光温传感器、以及光致变色染料等，机器人可用于检测温度和紫外线等环境变化。

通过集成其他传感器，它有望检测到更多的环境因素，比如工业环境和民用建筑中的污染物。

如果给这种形状的软体机器人涂上防水材料，再通上高频电压的话，理论上有望通过摇摆运动在水里游泳。这也正是陈锐正在开展的研究方向，他希望把这种驱动方式应用在水下机器人，借助摇摆和扑动实现类似于鱼类一样的运动。

投稿过程一波三折

实验过程中，当机器人第一次展现出优秀跳跃性能时，整个团队都大受鼓舞。因为相比此前调研的机器人样机，他们终于看到了自己团队制备的机器人的优势。

在论文的投稿过程中，也经历了一波三折，很多审稿人提出了宝贵意见，他们也前后修改多次，还补了很多实验，过程虽然煎熬但也让团队成长了不少。

目前，陈锐已经确定了后续研究计划，届时将主要围绕两方面：一是进一步优化新型电液驱动方式的性能，比如如何实现无系留作业，即让驱动器或机器人实现自供电；二是进一步拓展这种驱动方式的应用领域。

未来，他希望在解决掉工程化问题的基础上，将这种驱动方式应用在更多软体机器人上。

具体来说，未来陈锐将研究机器人的可扩展性、以及参数优化，从而让软致静电弯曲执行器实现更好的跳跃性能，他还将开发出无系留无腿软跳机器人以及相关应用程序。

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支持：猫学长

参考：

1、Chen, R., Yuan, Z., Guo, J. et al. Legless soft robots capable of rapid, continuous, and steered jumping. Nat Commun 12, 7028 (2021).